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2019-08-05

Connexion et programmation des rubans LED RGB

Les diodes électroluminescentes (LED) remplacent de plus en plus l'éclairage standard sous forme d'ampoules, de lampes halogènes et de lampes fluorescentes. Elles consomment beaucoup moins d'énergie mais elles sont beaucoup d’autres avantages.

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Les diodes LED sont souvent utilisées dans les systèmes d'éclairage où une large gamme de LED blanches est utilisée. Toutefois, les diodes colorées sont utilisées de plus en plus, principalement pour l'éclairage intérieur ce qui fournit des effets esthétiques intéressants. Les diodes RGB sont une solution la plus avancée ; la couleur de ce type de diodes peut être contrôlée en atteignant presque toutes les couleurs de la lumière dans le visible. Qu’est-ce que vous devriez savoir encore sur ces produits ?

Qu’est-ce que c’est que la diode LED ?

La diode électroluminescente (LED) est une source de lumière à semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique la traverse. Les électrons du semi-conducteur se recombinent avec des trous d’électron en libérant de l’énergie sous forme de photons. Cet effet est appelé l’électroluminescence.

La couleur de la lumière émise correspond à l'énergie des photons émis. Cette énergie, à son tour, dépend de l'énergie nécessaire pour faire passer les électrons à travers la bande interdite du semi-conducteur. Cette bande est parfois appelée la coupure d’énergie et elle est un paramètre très important de chaque semi-conducteur. Ainsi, la couleur de la LED dépend du matériau utilisé pour sa construction.

Les diodes DEL ont apparu sur le marché en tant que composants électroniques commerciaux en 1962. Les premières diodes émettaient une lumière infrarouge de faible intensité. Les diodes LED infrarouges sont principalement utilisées dans les circuits de commande à distance, par exemple dans les produits électroniques grand public. Les premiers produits travaillant en lumière visible de caractérisaient par une faible intensité et étaient limité au rouge. Ils ont été fabriqués à partir de matériaux tels que le phosphure de gallium (GaP) et de gallium-aluminium (AlGaAs).

Les diodes LED modernes sont disponibles dans les longueurs d'onde visibles, ultraviolettes et infrarouges. Elles fonctionnent avec une efficacité d'émission élevée, de sorte qu’elles produisent beaucoup de lumière de manière économe en énergie. Les produits modernes de ce type sont fabriqués à partir de divers matériaux semi-conducteurs qui dépendent de la couleur. Actuellement, les LED rouges sont fabriquées à partir de phosphure d'aluminium indium-gallium (AlInGaP), ce qui les rend plus efficaces par rapport aux éléments en GaP ou AlGaAs. Les diodes LED bleues et vertes sont principalement fabriquées de nitrure de gallium et de nitrure de gallium indium (GaN et InGaN). La quantité d’indium détermine la couleur – lorsque la quantité d’indium est plus grande, l’onde est plus longue (par exemple, le vert).

Où les diodes RGB sont-elles utilisées ?

RGB est un modèle additif de couleurs dans lequel les lumières rouge (Red), verte (Green) et bleue (Blue) sont combinées de différentes manières pour reproduire une large gamme de couleurs. Le nom du modèle provient directement des noms anglais des couleurs principales utilisées. La détection, la représentation et l'affichage d'images dans des systèmes électroniques tels que les téléviseurs et les ordinateurs sont des applications principales du modèle d'espace colorimétrique RGB. Ce modèle est également utilisé en photographie analogique et de plus en plus souvent dans les systèmes d'éclairage. Avant l'époque de l’électronique, le modèle de couleur RGB reposait déjà sur une théorie solide, basée sur la perception des couleurs par l'homme

Le mélange de la lumière rouge, verte et bleue de sources LED pour créer une lumière colorée nécessite des circuits électroniques dédiés pour contrôler le processus de mélange. Puisque les différentes diodes LED ont des modèles d'émission légèrement différents, la balance des couleurs peut changer en fonction de l'angle de vision, même si les sources RGB se trouvent dans un seul boîtier. Pour cette raison, les diodes RGB sont rarement utilisées pour produire de la lumière blanche, mais elles sont souvent utilisées pour obtenir d'autres couleurs. Cette méthode a de nombreuses applications grâce à la flexibilité de mélange de différentes couleurs et à l'efficacité énergétique élevée.

Les LED multicolores offrent un nouveau moyen de créer de la lumière avec différentes couleurs. La plupart des couleurs visibles peuvent être créées par le mélange des différentes quantités des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Cela permet de contrôler précisément et dynamiquement la couleur obtenue. Le problème associé à l’utilisation de diodes RGB pour un rendu précis des couleurs dans les systèmes d’éclairage consiste au fait qu’avec le changement de la température, l’intervalle d’énergie du semi-conducteur utilisé pour construire l’élément change aussi. Le changement de la différence d'énergie s'accompagne d'un changement de la couleur d'éclairage de différentes diodes LED - rouge, verte et bleue - dans la structure RVB. Ce problème n’a pas lieu en cas de plus faible puissance.

Comment contrôler la luminosité de la diode ou la modulation PWM

La luminosité de la diode électroluminescente dépend du courant qui la traverse, qui peut être régulé de différentes manières. Parmi deux méthodes les plus simples de ce réglage il y a l’utilisation d’une source de courant contrôlée ou d’un modulateur PWM.

Une source de courant est un circuit électronique qui fournit ou absorbe un courant électrique indépendant de sa tension. Il existe deux types de sources de courant. Une source indépendante fournit un courant constant. En ce qui concerne la source dépendante, elle fournit un courant proportionnel à une autre tension ou à un autre courant du circuit. Bien sûr, une source dépendante est nécessaire pour contrôler les diodes. La plupart des sources de courant réelles sont réalisées en utilisant un élément à résistance contrôlée (par exemple un transistor MOSFET). Il est contrôlé de sorte que la chute de tension sur cet élément force le flux du courant à travers la charge appropriée.

Un faible rendement énergétique constitue un inconvénient d'une solution contenant un élément à pertes qui force le flux. La chute de tension sur l'élément de commande peut être assez élevée, en particulier lorsque les courants faibles sont réglés. De plus, cette commande, en ayant besoin d’une entrée analogique, par exemple d’une tension de commande, est difficile à appliquer dans un système numérique et nécessite la mise en œuvre d'éléments supplémentaires, tels qu'un convertisseur numérique et analogique.

La modulation PWM donc une modulation de largeur d’impulsion, est une méthode permettant de réduire la puissance moyenne fournie par un signal électrique en découpant efficacement ce signal en parties séparées lorsqu’il est allumé et éteint (sans aucun état transitoires - comme en cas d’onde rectangulaire). La valeur moyenne de la tension (et du courant) fournie à la charge est contrôlée en activant et en désactivant rapidement un certain type de clé entre l'alimentation et la charge. Lorsque cette clé est activée plus longtemps par rapport aux périodes d'arrêt, la puissance totale fournie à la charge est plus élevée.

La modulation PWM est utile en particulier dans le fonctionnement à des charges relativement inertes, telles que les moteurs sur lesquels une commutation discrète n’affecte pas tellement facilement. En raison de l'inertie ils réagissent plus lentement. La fréquence de commutation PWM doit être suffisamment élevée pour ne pas affecter la charge. Dans le cas des diodes LED RGB, ce n'est pas le récepteur lui-même – la diode électroluminescente – qui est inerte, c’est un œil humain qui n’aperçoit pas le clignotement, car il rend moyen l'intensité de la lumière.

La vitesse (ou la fréquence) à laquelle la clé doit commuter la charge peut varier considérablement en fonction de la charge et de l'application du système. Dans le cas des diodes LED, la fréquence optimale dépend également de l'application spécifique. La vitesse de commutation de la diode LED constitue la limite supérieure de la fréquence. Le temps de commutation d’une diode LED est normalement compris entre quelques centaines et plusieurs milliers de nanosecondes, ce qui se traduit par des fréquences de commutation de plusieurs centaines de kilohertz à plusieurs mégahertz. D'autre part, la fréquence de commutation minimale est définie par l'inertie de la vue humaine. En cas d’objet en mouvement, on suppose que 200 Hz constitue la fréquence de commutation minimale de la clé de commande de la diode LED.

Le principal avantage de l’utilisation de la modulation PWM réside dans le fait que les pertes de la puissance dans les appareils de commutation sont très faibles. Lorsque le commutateur est désactivé, il n’y a pratiquement aucun flux de courant et lorsque la clé est activée, la chute de tension est peu remarquable. Les pertes de puissance, qui constituent le produit de la chute de tension et du flux de courant sont donc faibles dans les deux cas. De plus, la modulation PWM fonctionne très bien avec les commandes numériques qui, en raison de leur nature – une commande zéro-un – permettent de contrôler facilement la clé.

Qu’est-ce que c’est que les rubans LED et les rubans RGB avec les pilotes intégrés ?

Le ruban LED est une carte de circuit imprimé flexible sur lequel sont soudées les diodes électroluminescentes pour montage en surface (diodes SMD) ainsi que d’autres éléments nécessaires pour le fonctionnement des diodes. Il est généralement équipé d'un support adhésif.

Les rubans LED ont été utilisés dans le passé uniquement pour l'éclairage accentué, le rétroéclairage, l'éclairage fonctionnel et l'éclairage décoratif. L'augmentation de l'efficacité des diodes LED et la disponibilité de produits plus puissants ont permis l'utilisation de rubans LED en tant qu’éclairage à forte luminosité qui remplace efficacement les luminaires équipés d'ampoules fluorescentes ou les halogènes.

Les rubans avec les diodes LED, utilisés souvent pour l’éclairage, sont également disponibles dans la version à LED multicolores : RGB ou RGBW. Le deuxième de ces rubans comporte une diode blanche supplémentaire (White) qui assure une lumière blanche de bonne qualité – vous allez trouver plus d'informations dans la suite de l’article. Leur contrôle à l'aide de pilotes externes serait compliqué à cause du grand nombre de sorties indispensables pour contrôler un ruban plus long. Pour ces raisons des pilotes intégrés sont souvent utilisés sur ces types de rubans.

Contrôle de rubans

La plupart des rubans LED RGB sont construits à l’aide des diodes LED RGB classiques à quatre sorties – une anode ou une cathode commune et une sortie unique pour chaque couleur. Nous ne pouvons pas connecter les câbles directement à l’alimentation parce qu’il est nécessaire d’utiliser un pilote grâce auquel nous pourrons facilement changer de couleur. Bien qu'une telle solution permette de contrôler la couleur – tout en gardant à l'esprit que tout le ruban émet la même couleur cela peut constituer une limitation de la flexibilité d'utilisation. Récemment, la solution dans laquelle, outre les diodes à LED RBG, sont également intégrés des pilotes, par exemple les systèmes Worldsemi de la famille WS28xx, est de plus en plus souvent appliquée.

Il convient également d’ajouter que les rubans LED RGB classiques sont contrôlés de manière différente de ceux dotés de pilotes. Cela résulte principalement du fait que les pilotes intégrés la conception change - une seule ligne (DATA) est utilisée pour le contrôle et non pas trois lignes séparées pour chaque couleur. Par exemple, les solutions basées sur Arduino peuvent être utilisées pour le contrôle.

Les rubans contenant des circuits de ce groupe sont généralement appelés programmables ou intelligentes tandis que le pilote lui-même a la forme d'un circuit intégré conçu pour contrôler les diodes LED. Il contient un verrou interne intelligent de données numériques provenant du port d'entrée, son adresse individuelle ainsi que le circuit de commande d'alimentation. Il possède également un oscillateur interne précis et un stabilisateur de tension 12V pour les diodes LED. Afin de réduire l'ondulation dans le système les canaux spécifiques PWM sont contrôlés avec un déphasage. Ce système utilise le mode de communication NZR.

Dans le système NZR, les systèmes de la famille WS28xx sont connectés en série. La broche DIN constitue l'entrée de données et le DO constitue la sortie. Les données sont fournies sur la broche DIN du premier pilote de la chaîne. Son DO est connecté au prochain DIN, etc. Après le redémarrage de la puce la ligne DIN reçoit les données du contrôleur. Le premier circuit intégré collecte les 24 premiers bits de données (trois fois 8 bits pour trois couleurs) et les transmet ensuite au verrou de données interne. Les autres données sont envoyées à l'aide de la sortie DO.

Les données sur la sortie DO sont mises en cachette par les circuits numériques intégrés, de sorte que le prochain processus de haute qualité arrive. Cela augmente la portée de tout le système parce que la distance maximale entre les pilotes et le nombre d'adresses disponibles constituent les seules restrictions sur la longueur du ruban.

Lorsque le pilote verrouille les données, ce système génère les signaux de contrôle PWM appropriés sur les sorties OUTR, OUTG et OUTB, destinés au contrôle des diodes rouge, verte et bleue dans la structure du ruban. Grâce à la possibilité d'adresser la famille WS28xx, il est possible de régler individuellement la couleur et la luminosité de la diode RGB, ce qui élargit considérablement les possibilités. Par exemple, dans les rubans utilisant ce système, chacune des diodes peut émettre une couleur différente à une intensité différente, indépendamment des autres sur le ruban.

Il convient de souligner que les solutions complètes comprenant à la fois des structures LED RVB et la structure du pilote adressable intégré dans un boîtier sont disponibles, ce qui simplifie l'application et réduit le coût final de la solution. Ces diodes sont proposées à la fois en version économique par la société Worldsemi et par la société Liteon - diodes embedded de haute qualité et répétitivité.

Quel ruban avec le contrôleur faut-il choisir ?

Il y a sur le marché de nombreux rubans LED RGB différents avec des pilotes intégrés. Ce sont des rubans avec une puissance et un nombre de LED différents, ce qui se traduit par différents niveaux de luminosité. Ces produits se composent de 30 à 144 diodes par mètre et se caractérisent par une puissance maximale de 36W à 86,4W (pour 1 m de ruban).

Les rubans LED RGB peuvent être alimentés avec une tension continue de 5V, 12V ou 24V. Le choix d'un ruban particulier doit être effectué en fonction de la tension d'alimentation disponible dans le système concerné. Par exemple, le système à microcontrôleur est parfaitement adapté ruban alimenté par une tension de 5V, et dans le système industriel le ruban est alimenté en 24V. De plus en choisissant le ruban LED pour des applications industrielles il convient de faire attention à la classe de protection du produit. En choisissant le modèle à IP65 vous pouvez compter sur la fiabilité du système parce que cette classe garantit l’étanchéité à la poussière et la protection contre l’humidité.

RGB vs RGBW – quelles diodes LED choisir ?

Le ruban LED RGB standard utilise un système composé de trois diodes LED (rouge, verte et bleue). Ce système peut produire une large gamme de couleurs, en mélangeant les trois couleurs mentionnées et en fournissant une lumière presque blanche, mais même lorsque toutes les trois diodes LED sont éclairées à leur luminosité maximale, la couleur obtenue n’est pas du tout idéale. Pour ces raisons les rubans LED RGB + W sont utilisés dans lesquels il y a quatre diodes : LED RGB et une diode blanche supplémentaire électroluminescente.

Bien que les diodes LED RGB elles-mêmes puissent avoir une couleur proche du blanc, la LED blanche dédiée dans la structure fournit une tonalité de blanc beaucoup plus nette et permet d’utiliser une puce supplémentaire en blanc chaud ou en blanc froid. De plus, la puce blanche offre des possibilités supplémentaires de mélanger les couleurs avec les systèmes RGB tout en permettant de créer une vaste gamme de nuances uniques.

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